Les électromoteurs générateurs document professeur

CAP PRO ELEC
ELECTROMOTEURS GENERATEURS
Piles et accumulateurs sont des dipôles électromoteurs. Comment se comporte un dipôle
électromoteur fonctionnant en générateur ?
I-/ DEFINITION
L’électromoteur est un dipôle actif : il existe entre ses bornes une tension non nulle même si
aucun courant électrique ne le traverse.
Un électromoteur fonctionne en générateur lorsqu’il fournit de l’énergie électrique à une
charge ( à partir d’une autre forme d’énergie : mécanique, chimique, lumineuse).
L’électromoteur est polarisé : il présente une borne « plus » et une borne « moins ».
Exemples :
Piles
Panneaux photovoltaïques
Batterie d’accumulateurs
Dynamo
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II-/ EXPERIENCE
1-/ Etude d’une pile 3R12
Nous étudions une pile 3R12, c’est une pile plate dite 4,5 V.
La lame courte est le pôle « + » et la lame longue est le pôle « - ».
2-/ Montage d’expérimentation
Le montage permet de relever la tension aux bornes de la pile en fonction de l’intensité du
courant qu’elle débite. L’intensité débitée est réglée par le rhéostat (on se limite à 100 mA
afin de ne pas décharger trop rapidement la pile étudiée).
S
I
A
U
G
Rh
V
3-/ Tableau de mesures
I (mA)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
U (V)
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4-/ Tracé
5-/ Analyses
La tension U diminue lorsque l’intensité I débitée augmente.
La courbe qui associe U à I peut être modélisée : c’est une droite ne passant pas par l’origine.
L’équation de cette droite est de la forme U = a I + b ( y = a x + b ).
Le paramètre b est l’ordonnée à l’origine (4,58 V pour I = 0 A).
Nous dirons b = E = 4,58 V.
Le paramètre a est le coefficient directeur, négatif car la droite est décroissante.
a = U / I = (4,46 – 4,58) / (0,0715 – 0) = - 1,68.
a = - r avec r = 1,68 .
L’équation de la pile étudiée est donc U = 4,58 – 1,68 I.
En généralisant : U = E – r I.
III-/ GRANDEURS CARACTERISTIQUES
Tout électromoteur est caractérisé par deux constantes :
E, r
G
Exemple : une pile est un électromoteur générateur caractérisée par les constantes E et r.
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1-/ La force électromotrice du générateur
La force électromotrice (fém) est désignée par la lettre E, et s’exprime en volts (V).
C’est la tension à vide du générateur.
2-/ La résistance interne du générateur
La résistance interne est désignée par la lettre r et s’exprime en ohms (). r = - a = - U / I.
IV-/ LOI D’OHM POUR UN GENERATEUR
I
I
U
U

G
rI
E
U=E–rI
U : tension aux bornes de l’électromoteur en volts (V)
E : force électromotrice en volts (V)
r : résistance interne en ohms ()
I : intensité débitée en ampères (A)
V-/ BILAN DES PUISSANCES POUR UN GENERATEUR
Multiplions par I les deux membres de la dernière équation : U I = E I – r I2
1-/ Puissance électrique totale
Pet = E I est la puissance transformée par le générateur et qui apparaît sous forme de
puissance électrique.
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2-/ Pertes Joules
Pj = r I2 est la puissance dissipée par effet Joule (chaleur) dans la résistance interne du
générateur.
3-/ Puissance utile
Pu = U I est la puissance utile fournie.
4-/ Rendement électrique
Le rendement électrique du générateur est e = Pu / Pet soit
e = U / E
VI-/ ASSOCIATION DE GENERATEURS
1-/ En série
U
U1
U2
On remplace chaque générateur par son modèle équivalent :
U
r1
E1
I
r2
r1 I
E2
r2 I
En appliquant la loi d’addition des tensions, on obtient :
U = U1 + U2
U = (E1 – r1 I) + (E2 – r2 I)
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U = (E1 + E2) – (r1 + r2) I
U = Eéq – réq I
Par conséquent nous avons :
Eéq = E1 + E2
réq = r1 + r2
Conclusion : un groupement de générateurs en série admet un générateur équivalent dont :
-
la force électromotrice est la somme des forcé électromotrice,
-
la résistance interne est la somme des résistances internes.
Remarque : en pratique, cette association est toujours réalisée avec des générateurs
identiques (piles, éléments d’accumulateurs…). Elle permet d’obtenir des tensions élevées,
l’intensité maximale étant celle que peut délivrer un seul de ces générateurs.
2-/ En parallèle
Considérons deux générateurs identiques :
I
I/2
U
I/2
On remplace chaque générateur par son modèle équivalent :
I
I/2
I/2
r
r
E
E
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L’équation du générateur équivalent est de la forme : U = Eéq – réq I
Comme chaque générateur est traversé par un courant d’intensité I/2, nous pouvons écrire :
U = E – r (I/2)
Par conséquent, on a :
Eéq = E
réq = r / 2
Conclusion : le groupement de deux générateurs identiques en parallèle admet un modèle
équivalent dont :
-
la force électromotrice est égale à la force électromotrice de l’un des générateurs,
-
la résistance interne est la moitié de la résistance interne de l’un des générateurs.
Remarque : en pratique, on associe en parallèle que des générateurs identiques. Dans le cas
contraire, une différence de fém entraînerait, même à vide, un courant de circulation à
l’intérieur du groupement, échauffant inutilement l’ensemble (risque de destruction). Des
générateurs de même fém, mais de résistances internes différentes, associés en parallèle,
contribueraient de manière inégale au courant total fourni à la charge. Cela explique que ce
montage n’est pratiquement pas utilisé avec des piles ou des accumulateurs.
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